基于等离子体的二甲醚部分氧化重整制氢研究

应用自制的车载等离子体富氢气体制备装置,进行了二甲醚(DME)部分氧化重整制氢实验,研究了操作参数、结构参数、电极材料和电极散热特性对产物中气体组成和氢产率的影响。结果表明,常温常压下,H2的体积分数和氢产率随占空比和放电频率的增大先增大后减小,当占空比为80%和频率为170 Hz时分别达到最大;随电极直径的增大和发生腔数量的增加而增大,随正极散热能力的提高而降低;当空醚比从0.5增大到4.0时,H2的体积分数随空醚比的增大而逐渐减小,氢产率则先增大后减小,空醚比为3.5时氢产率最大;选用铱合金正极、铜质负极以及合适的发生腔半径对产氢有利。     

循环流化床富氧气化实验研究

在循环流化床富氧气化实验台上,通过调节水蒸气流量使气化温度基本稳定在910℃,研究了不同氧气浓度及气化当量比对煤气组分、产气率、冷煤气效率及碳转化率的影响。结果表明,氧气浓度从25%增加至40%时,N2体积分数从48.82%降低至33.83%,H2从21.47%不断增加至27.59%,CH4基本不变;受水蒸气流量影响,氧气浓度高于35%时,CO体积分数降低,CO2体积分数增加;氧气浓度40%时的煤气热值为空气气化煤气热值的1.84倍,产气率随氧气浓度增加从2.35 m3/kg降至2.13 m3/kg,冷煤气效率和碳转化率不断增大;当气化当量比从0.20增加至0.29时,N2体积分数先降低后升高,H2体积分数从24.01%增加到25.46%后基本保持不变,CO和CH4持续减小,CO2不断增加,产气率由1.94 m3/kg升高到2.29 m3/kg;受水蒸气和气化当量比综合影响,冷煤气效率先增大后减小,碳转化率持续增加。     

甲醇水蒸气重整制氢CuO/CeO2-ZrO2/SiC整体催化剂的研究

采用浸渍法和溶胶凝胶法制备了CuO/CeO2-ZrO2/SiC整体催化剂,并将其用于甲醇水蒸气重整制氢反应中。结果表明,与CuO/CeO2-ZrO2颗粒催化剂相比,CuO/CeO2-ZrO2/SiC整体催化剂催化活性较好,产氢速率较快且重整气中CO体积分数较低。进一步探究了涂层涂覆量和CuO负载量对催化性能的影响,结果表明,当CeO2-ZrO2复合氧化物涂层涂覆量在15%±1%,CuO负载量为5%±1%时,催化性能较好;当反应温度为340℃,水醇物质的量比为1. 2,甲醇水蒸气气体空速为4840 h-1时,甲醇转化率为86. 0%,产氢速率为1490. 0 L/(m3·s),重整气中CO体积分数为1. 55%。最后通过单因素实验法探究了甲醇水蒸气气体空速、水醇物质的量比和反应温度对反应的影响。结果表明,随着气体空速变大,甲醇转化率下降,产氢速率上升,重整气中CO体积分数下降。随着水醇物质的量比增加,甲醇转化率先上升后下降,产氢速率先上升后下降,重整气中CO体积分数下降。随着反应温度的升高,甲醇转化率、产氢速率和重整气中CO体积分数均上升。     

甲醇水蒸气重整制氢CuO/CeO2-ZrO2/SiC整体催化剂的研究

采用浸渍法和溶胶凝胶法制备了CuO/CeO₂-ZrO₂/SiC整体催化剂，并将其用于甲醇水蒸气重整制氢反应中。结果表明，与CuO/CeO₂-ZrO₂颗粒催化剂相比，CuO/CeO₂-ZrO₂/SiC整体催化剂催化活性较好，产氢速率较快且重整气中CO体积分数较低。进一步探究了涂层涂覆量和CuO负载量对催化性能的影响，结果表明，当CeO₂-ZrO₂复合氧化物涂层涂覆量在15%±1%，CuO负载量为5%±1%时，催化性能较好；当反应温度为340℃，水醇物质的量比为1.2，甲醇水蒸气气体空速为4840 h^-1时，甲醇转化率为86.0%，产氢速率为1490.0 L/（m³·s），重整气中CO体积分数为1.55%。最后通过单因素实验法探究了甲醇水蒸气气体空速、水醇物质的量比和反应温度对反应的影响。结果表明，随着气体空速变大，甲醇转化率下降，产氢速率上升，重整气中CO体积分数下降。随着水醇物质的量比增加，甲醇转化率先上升后下降，产氢速率先上升后下降，重整气中CO体积分数下降。随着反应温度的升高，甲醇转化率、产氢速率和重整气中CO体积分数均上升。     

基于火花放电等离子体部分氧化重整二甲醚制氢研究

应用自制的多级式等离子体富氢气体制备装置，进行了二甲醚部分氧化重整制氢实验。实验结果表明，常温常压下二甲醚的转化率和氢产率随占空比的增大先增大后减小，当占空比为80%时最大值分别为87.6%和39.4%。随着电源电压的增加，放电能量和持续时间逐渐增加，转化率和氢产率逐渐增加。当反应器采用保温措施或对反应物进行加湿时，转化率和氢产率均有明显提高，同时制氢能耗下降，热效率有一定提高。实验过程中附着在电极上的积炭主要是由于氧气不足造成，随空醚比的增大，积炭明显减少。     

ZrO_2在Cu-ZnO-ZrO_2甲醇水蒸汽重整制氢催化剂中的作用

通过对一系列Cu-ZnO-ZrO2甲醇水蒸汽重整(SRM)催化剂的XRD、TEM和BET表征及催化性能测定,研究催化剂中ZrO2对催化剂粒径、比表面以及对SRM反应性能的影响.结果表明,ZrO2的加入,使催化剂的粒径从15nm降至10nm(其中CuO和ZnO的平均粒径分别从7.7和10.4nm降至3.9和8.7nm),BET比表面从60m2·g-1增至78m2·g-1.随着催化剂含ZrO2量不同,甲醇的转化率和H2、CO2的选择性均产生变化,当催化剂中Zr含量为24.0%(w),反应温度为220℃,水、醇摩尔比为1.3时,甲醇的转化率达到51.6%,H2和CO2的选择性达到100%(CO和CH4在产物气体中的体积分数小于10-4),这一结果对甲醇燃料电池甲醇重整器的应用具有重要的意义.     

ZrO2在Cu-ZnO-ZrO2甲醇水蒸汽重整制氢催化剂中的作用

通过对一系列Cu-ZnO-ZrO2甲醇水蒸汽重整(SRM)催化剂的XRD、TEM和BET表征及催化性能测定,研究催化剂中ZrO2对催化剂粒径、比表面以及对SRM反应性能的影响.结果表明,ZrO2的加入,使催化剂的粒径从15 nm降至10 nm（其中CuO和ZnO的平均粒径分别从7.7和10.4 nm降至3.9和8.7 nm）,BET比表面从60 m2•g－1增至78 m2•g－1.随着催化剂含ZrO2量不同,甲醇的转化率和H2、CO2的选择性均产生变化,当催化剂中Zr含量为24.0％(w),反应温度为220 ℃,水、醇摩尔比为1.3时,甲醇的转化率达到51.6％, H2和CO2的选择性达到100％(CO和CH4在产物气体中的体积分数小于10－4),这一结果对甲醇燃料电池甲醇重整器的应用具有重要的意义.     

固体酸催化剂对二甲醚水蒸气重整制氢过程的影响

将 HZSM-5 (n(SiO2)/n(Al2O3) = 25, 38, 50 和 93.5), HM, Hβ, HY 和γ-Al2O3 等多种固体酸催化剂用于二甲醚(DME)水解, 并将其分别同自制的 CuO/ZnO/Al2O3 催化剂进行机械混合, 制备双功能催化剂并用于 DME 水蒸气重整制氢反应. 结合 NH3 程序升温脱附表征手段, 考察了固体酸催化剂酸性位的强度、酸量及种类对 DME 水解和重整反应的影响;结合热重-差热扫描量热分析表征手段, 研究了 HZSM-5(93.5)和γ-Al2O3 在 DME 水解过程中的稳定性. 在此基础上, 进一步研究了固体酸催化剂对 DME 重整制氢反应中 DME 转化率、H2 摩尔产率以及含碳气体产物选择性的影响. 结果表明, 固体酸催化剂的酸性位的强度和酸量对 DME 重整制氢过程具有显著的影响, 强酸度和高酸量无益于 DME 水蒸气重整制氢;以 HZSM-5 为固体酸的双功能催化剂具有较好的低温活性, 而以γ-Al2O3 为固体酸的双功能催化剂在高温下具有较高的 H2 产率.     

微细腔内甲烷湿空气低温重整积炭特性的热力学分析

微细腔内重整积炭会引起催化剂失活和孔道堵塞,甲烷低温自热重整技术的提出,既有利于实现微燃烧器中甲烷的持续稳定燃烧,又能有效降低热点和减少积炭。通过热力学分析,探讨常压下反应温度低于973K时微细腔内自热重整积炭的影响因素及重整特性。结果表明,温度、空碳比及水碳比对积炭生成有重要影响。微细腔内积炭含量随温度升高先增大后减小;贫氧环境下,空碳比和水碳比的增加不仅对减少积炭有效,对氢气产生也有利;同时,甲烷自热重整系统与无水系统相比减碳性能优越。甲烷质量流量为6.6g/h、空碳比和水碳比分别为2和1时,积炭产生的温度为680K~850K,并在785K达到积炭质量分数的最大值为0.66%,此时甲烷转化率和氢气质量含量分别为53.43%和2.37%;且消碳对应的空碳比和水碳比分别约为2.4和1.1。     

流化床中 CH4/C3H8 自热重整制合成气

 在流化床反应器中, 考察了 Ni/SiO2 催化剂上 CH4 或 CH4-C3H8 临氧 CO2 重整 (自热重整) 制合成气反应性能. 结果表明, 在 CH4-C3H8 混合气自热重整反应中, Ni 粒径较小催化剂的活性和抗积炭性能较高, CH4 和 CO2 转化率分别达 75.5% 和 72.6%. C3H8 比 CH4 更易解离及被氧化, 部分 C3H8 解离出来的中间产物 CHx 物种可与吸附 H 结合为 CH4, 因而降低了 CH4 的表观转化率; CHx 也可与吸附的 CO2 物种反应生成 H2 与 CO, 从而促进了 CO2 的转化.     

焙烧温度对K改性Ag-Fe/ZnO-ZrO2催化剂结构和CO加氢合成低碳混合醇醚性能的影响

采用并流共沉淀法在不同焙烧温度下制备K改性Ag-Fe/ZnO-ZrO₂催化剂,考察不同焙烧温度对催化剂CO加氢合成低碳混合醇醚反应性能的影响。通过N₂物理吸附(N₂-adsorption)、X射线衍射(XRD)、氢气程序升温还原(H₂-TPR)、一氧化碳程序升温脱附(CO-TPD)等手段对催化剂进行表征。结果表明,250 ℃焙烧的催化剂,由于焙烧温度较低,表面尚未形成足够多的活性位,未能达到最佳的催化性能;300 ℃焙烧的催化剂,其CO转化率最高、醇醚选择性较高,醇醚时空产率达到最大值。随着焙烧温度进一步升高,CO转化率逐渐降低,醇选择性先降低后增大,二甲醚(DME)选择性逐渐增大,醇醚时空产率逐渐降低。催化剂性能主要与其比表面积、还原性能、所含银铁复合物分散度及CO吸脱附性能有关,即比表面积较大、易于被还原、银铁复合物分散度较高以及较多的CO吸脱附活性位,有利于催化剂CO加氢转化。催化剂表面活性位对CO的非解离吸附强度降低,有利于醇醚产物的生成;而对CO的解离吸附强度增强,则不利于烃类产物的生成。     

Modeling of microreactor for syngas production by catalytic partial oxidation of methane

Fixed-bed reactors for the catalytic partial oxidation of methane (CPOM) to produce synthesis gas still pose hot spots problems. Microreactor is a good alternative reactor proposed to resolve these problems. In this paper, synthesis gas (hydrogen and carbon monoxide) production was investigated by a two-dimensional numerical model of single microchannel. CFD modeling with detailed chemistry was conducted to understand the CPOM on platinum (Pt) catalyst. Gas inlet velocity, microchannel pressure, and fuel to air ratio (F/A) are selected as the effective parameters on microchannel performance. Study results show that Reynolds number has considerable effect on methane conversion, hydrogen to carbon monoxide ratio (H2/CO), and product distribution. Increasing gas inlet velocity causes all the above parameters to decrease. It is noted that increasing microchannel pressure and decreasing the ratio of fuel to air cause the decrease of the H2/CO ratio.     

Experimental studies of biomass gasification with air

In this work,experimental studies of biomass gasification under different operating conditions were carried out in an updraft gasifier combined with a copper slag reformer.The influence of gasification temperature,equivalence ratio(ER) and copper slag catalyst addition on gas production and tar yield were investigated.The experimental results showed that the content of H2 and CO,gas yield and LHV increased,while the tar yield and the content of CO2,CH4 and C2Hx in the gas product decreased with the temperature.At 800C,with the increase of ER,the LHV,the tar yield and the content of H2,CO,CH4 and C2Hx in gas products decreased,while the gas yield and the content of CO2 increased.Copper slag was introduced into the secondary reformer for tar decomposition.The Fe3O4 phase in the fresh copper slag was reduced to FeO(Fe2+) and metallic Fe by the gas product.Fe species(FeO and metallic Fe) acted as the active sites for tar catalytic decomposition.The catalytic temperature had a significant influence on tar conversion and the composition of the gas product.Typically,the tar conversion of about 17%-54% could be achieved when the catalytic temperature was varied from 750 to 950 C.Also,the content of H2 and CO increased with the catalytic temperature,while that of CO2,CH4 and C2Hx in the gas product decreased.It was demonstrated that copper slag was a good catalyst for upgrading the gas product from biomass gasification.     

共沉淀浸渍法制备由合成气直接合成二甲醚的Cu-Mn催化剂

采用共沉淀浸渍法,制备了直接合成二甲醚的Cu-Mn-Zn催化剂,通过对组成成分及其配比的研究,发现Cu含量一定的条件下,n(Zn)/n(Mn)摩尔比对催化剂性能有较大的影响,当n(Zn)/n(Mn)=1/3～1/2时,催化剂对CO的转化率和对二甲醚的选择性达到最佳,分别为53.6%和63.5%；如锰添加比例过大,对催化剂催化合成二甲醚有微弱抑制；添加锌比例过大,会大大降低CO的转化率。载体Y分子筛的含量对催化剂性能也有影响,用量过大将降低催化剂的活性和对二甲醚的选择性,当其含量为33%时,催化剂上CO转化率和选择性可分别达到66%和68%,且催化剂活性随分子筛含量减少不再有明显的变化。     

HZSM-5型分子筛硅铝比对一步法合成二甲醚的影响

以Cu/Zn/Al(摩尔比为6∶3∶1)甲醇合成催化剂与HZSM-5型分子筛混合,制备了一步法二甲醚合成催化剂。通过改用三种不同Si/Al摩尔比（摩尔比为25、38和50）的HZSM-5型分子筛,考察了催化剂中脱水组分（HZSM-5分子筛）的酸性对二甲醚合成的影响。结果表明,随着催化剂Si/Al摩尔比的降低,分子筛的酸性增强,使得CO单程转化率提高。当催化剂Si/Al＝38时,CO对二甲醚的选择性最高,可达到68.13％,其次是催化剂Si/Al＝50,选择性最差的是Si/Al＝25的催化剂。在553 K、 3 MPa和4 000 h－1的条件下,Si/Al＝25和Si/Al＝38的催化剂CO单程转化率和DME的选择性接近一致。在此条件下,两者的时空产率达到试验的最大值,分别为0.38 gDME/(gcat·h)和0.36 gDME/(gcat·h),在试验范围内,一步法合成二甲醚催化剂最佳的Si/Al摩尔比为25。     

Partial oxidation of dimethyl ether to H2/syngas over supported Pt catalyst

Dimethyl ether （DME） is a non-toxic fuel with high H/C ratio and high volumetric energy density, and could be served as an ideal source of H2/syngas production for application in solid oxide fuel cells （SOFC）. This study presents results of DME partial oxidation over a 1.5 wt% Pt/Ce0.4Zr0.6O2 catalyst under the condition of gas hourly space velocity （GHSV） of 15000-60000 ml/（g·h）, molar ratio of O2/DME of 0.5 and 500-700 ℃, and this temperature range was also the operation temperature range for intermediate temperature SOFC. The results indicated that the catalyst showed good activity for the selective partial oxidation of DME to H2/syngas. Under the working conditions investigated, DME was completely converted. Increase in reaction temperature enhanced the amount of syngas, but lowered the H2/CO ratio and yield of methane; while increase in reaction GHSV resulted in only slight variation in the distribution of products. The good catalytic activity of Pt supported on Ce0.4Zr0.6O2 for the partial oxidation of DME may be directly associated with the good oxygen storage capacity of the support, which is worth of further investigation to develop materials for application in SOFC.     

含氮合成气在三相淤浆床-固定床中直接合成二甲醚

在三相淤浆床－固定床反应装置中,研究含氮合成气直接合成二甲醚。使用双功能混合催化剂,粒度为0.15 mm～0.18 mm。在220 ℃～260 ℃、3.0 MPa～7.0 MPa、空速1 000 mL·g-1·h-1时考察了温度、压力及两种反应器中催化剂的装填比例对CO转化率及二甲醚选择性的影响。结果表明,一氧化碳转化率随反应压力的增加而提高,随着温度升高二甲醚的选择性变化不大,CO转化率的升高较明显,因此在催化剂活性适宜的温度范围内,该反应装置可以采用较高的反应温度。当260 ℃、7.0 MPa、三相床与固定床中催化剂比例为1∶1时,CO的转化率可达84.5％,二甲醚的选择性为78.7％。淤浆床－固定床反应装置具有操作稳定性好、CO转化率高的优点。催化剂在该装置中反应370 h活性没有明显下降。     

Microreactor for the Catalytic Partial Oxidation of Methane

Fixed-bed reactors for the partial oxidation of methane to produce synthetic gas still pose hot-spot problems. An alternative reactor, which is known as the shell-and-tube-typed microreactor, has been developed to resolve these problems. The microreactor consists of a 1 cm outside-diameter, 0.8 cm inside-diameter and 11 cm length tube, and a 1.8 cm inside-diameter shell. The tube is made of dense alumina and the shell is made of quartz. Two different methods dip and spray coating were performed to line the tube side with the LaNixOy catalyst. Combustion and reforming reactions take place simultaneously in this reactor. Methane is oxidized in the tube side to produce flue gases (CO2 and H2O) which flow counter-currently and react with the remaining methane in the shell side to yield synthesis gas. The methane conversion using the higher-loading catalyst spray-coated tube reaches 97% at 700℃, whereas that using the lower-loading catalyst dip-coated tube reaches only 7.78% because of poor adhesion between the catalyst film and the alumina support. The turnover frequencies (TOFs) using the catalyst spray-and dip-coated tubes are 5.75×10-5 and 2.24×10-5 mol/gcat·s, respectively. The catalyst spray-coated at 900℃provides better performance than that at 1250℃because sintering reduces the surface-area. The hydrogen to carbon monoxide ratio produced by the spray-coated catalyst is greater than the stoichiometric ratio, which is caused by carbon deposition through methane cracking or the Boudouard reaction.     

浆态床中Cu/ZnO/Al_2O_3/ZrO_2+γ-Al_2O_3双功能催化剂一步法合成二甲醚

采用共沉淀法,制备了纤维状CD501甲醇合成催化剂,采用SEM、TEM、XRD和BET等手段对催化剂进行了表征;并将其进一步和γ-Al2O3进行混合,获得了Cu/ZnO/Al2O3/ZrO2+γ-Al2O3双功能催化剂,考察了其在浆态床中一步法合成二甲醚过程的催化特性。结果表明,相比商业催化剂(COM)和LP201催化剂,新型的CD501催化剂具有更大的比表面积和Cu/Zn分散性。对于浆态床中一步法合成二甲醚过程,采用CD501与γ-Al2O3双功能催化剂,相比采用COM或LP201与γ-Al2O3双功能催化剂,CO转化率提高了一倍,且经过270 h测试,CO转化率从61%降至57%,二甲醚时空产率从0.54 g/(g.h)降至0.48 g/(g.h),稳定性显著优于COM催化剂。当反应温度为250℃,压力为4.0 MPa,空速为3 000 mL/(g.h),氢碳比为1.0时,该催化剂应用在浆态床一步法合成二甲醚时,CO转化率为61%,DME时空产率达到0.54 g/(g.h)。